A natureza é um excelente professor - mesmo para cientistas materiais. Pesquisadores, incluindo cientistas do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces, observaram agora um mecanismo notável pelo qual os materiais poliméricos são formados. Para capturar presas, vermes de veludo lançam uma secreção pegajosa que se enrijece em fios fortes sob a ação da força. A coisa extraordinária sobre esses fios é que eles podem ser dissolvidos e depois reformados novamente. O fato de fibras poliméricas reversíveis poderem ser extraídas da secreção anteriormente líquida é um conceito muito interessante para os pesquisadores. É bem possível que um dia seja possível sintetizar novos materiais recicláveis ​​com base no princípio dos vermes de veludo.

Alguns animais produzem materiais incríveis. Seda de aranha, por exemplo, é mais forte do que o aço. Mexilhões secretam fios de bisso, que eles usam para se agarrar firmemente a pedras debaixo d'água. O material secretado pelos vermes de veludo não é menos impressionante. Esses pequenos animais semelhantes a vermes, que parece um cruzamento entre uma minhoca e uma lagarta, borrife um líquido pegajoso para afastar os inimigos ou pegar uma presa que é particularmente mortal para presas como o piolho, grilos e aranhas:assim que eles tentam se livrar dos fios viscosos, suas lutas fazem com que os fios endureçam, não deixando nenhuma esperança de fuga.

"As forças de cisalhamento geradas pelas lutas da presa fazem com que o limo endureça em filamentos rígidos, "explica Alexander Bär, um estudante de doutorado na Universidade de Kassel, que está estudando com o especialista em verme de veludo Georg Mayer. A fim de investigar o limo de uma espécie de verme de veludo australiano, a bióloga trabalhou em estreita colaboração com pesquisadores do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam. O químico Stephan Schmidt, por exemplo, agora um professor júnior na Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf, ajudou a elucidar a nanoestrutura do lodo. Um grupo de pesquisa liderado pelo bioquímico Matt Harrington no Departamento de Biomateriais do Instituto Potsdam focou em outras questões relativas à composição química e processamento molecular. O grupo interdisciplinar de cientistas estava particularmente interessado em como a composição e a estrutura da secreção mudam durante a formação do fio.

Mistura pegajosa de proteínas e ácidos graxos

“Já sabíamos que o lodo consiste principalmente de grandes moléculas de proteínas e ácidos graxos, "Alexander Bär diz. No Instituto Max Planck em Potsdam, os pesquisadores descobriram que as proteínas e os lipídios se combinam para formar minúsculos glóbulos. "Os vermes de veludo produzem as moléculas de proteína e gordura, bem como outros componentes separadamente", Bär explica. "Fora das células da glândula, as nanoglobulinas então se formam independentemente para criar as propriedades de formação de fios e adesivas. ”Os glóbulos são formados com notável precisão por terem forma uniforme e sempre em torno de 75 nanômetros de diâmetro.

Os vermes de veludo armazenam sua arma líquida até que seja necessária. Eles então atiram o lodo em sua presa ou inimigo através de dois bicos localizados em cada lado de sua cabeça por meio de contrações musculares. "No início, a consistência pegajosa não muda, "Bär diz." No entanto, assim que a presa começar a lutar, as forças de cisalhamento agem sobre o lodo para romper as nanoglobulinas. "Estudos de espectroscopia vibracional em Potsdam mostraram que proteínas e ácidos graxos se separam no processo." Enquanto as proteínas formam longas fibras no interior do lodo, as moléculas de lipídio e água são deslocadas para fora e formam uma espécie de bainha, "Bär explica. Os pesquisadores também descobriram que a fita de proteína interna tem uma rigidez à tração semelhante à do nylon. Isso explica o notável desempenho dos filamentos.

Os fios polimerizados se dissolvem na água novamente

Outras experiências mostraram que os fios de limo polimerizados podem ser dissolvidos em água novamente dentro de algumas horas de secagem. "O que nos surpreendeu foi que as proteínas e os lipídios evidentemente se misturaram novamente para formar as mesmas nanoglobulinas que já havíamos encontrado no limo original, "Matt Harrington diz. Os glóbulos lipídicos de proteína recém-formados eram até mesmo semelhantes em tamanho aos da secreção natural." um mecanismo de auto-organização está em funcionamento que ainda não entendemos completamente, "Harrington diz.

Outra descoberta surpreendente foi que os fios pegajosos podem ser retirados do lodo recuperado. E eles se comportaram exatamente como secreção de verme de veludo recém-secretada sob a influência de forças de cisalhamento:eles endureceram. "Este é um bom exemplo de um processo de regeneração totalmente reversível e indefinidamente repetível, "diz Matt Harrington. Curiosamente, tudo isso é realizado com biomoléculas e em temperatura ambiente normal. Os vermes de veludo poderiam, portanto, servir de modelo para fabricantes de polímeros sintéticos e, possivelmente, ensiná-los muito sobre a produção sustentável de materiais sintéticos.

Harrington concorda. O bioquímico bem pode imaginar que um dia seremos capazes de sintetizar macromoléculas para aplicações industriais de maneira semelhante a partir de matérias-primas renováveis. No caso da seda de aranha, já foi possível produzir proteínas análogas industrialmente e fornecer as fibras delas produzidas para a indústria de confecções.

Como as proteínas e as moléculas de lipídios são separadas?

Um polímero que se dissolve em água, como os fios solidificados de vermes de veludo, provavelmente seria impraticável. Mas o princípio pode gerar novas inspirações na ciência dos materiais, Matt Harrington acredita. "No momento, o primeiro passo é entender melhor os mecanismos, "diz o especialista em biomateriais, que agora começou a ser professor na Universidade McGill em Montreal. Por exemplo, os cientistas estão interessados ​​em saber por que as forças mecânicas de cisalhamento fazem com que as proteínas se separem das moléculas de lipídios. Eles também querem determinar os fatores que governam a formação reversível de nano-glóbulos de tamanho uniforme. Outra questão sem resposta é como as unidades de proteína se combinam para produzir fibras rígidas sem formar ligações químicas fixas, diz o pesquisador de Max Planck, Harrington.